JP3189840B2 - ２つの物体間の電圧測定方法及び装置 - Google Patents

２つの物体間の電圧測定方法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は互いに間隔を保つ２つの物体間の電圧を正確
に測定するための電気光学システム、特に、印加される
電界の大きさに比例する複屈折を呈する４重回転反転軸
を有する電気光学結晶を利用するシステムに係わる。本
発明は特に平行偏光ビームをして電気光学結晶を通過さ
せ、さらに分数波長板により1/4波長に相当する相対遅
延を与えて直角位相の２つの電気信号を形成する方法に
係わり、また、デジタル・コンピューターを利用して２
つの電気信号から電気光学結晶に印加される電界を発生
させる電圧波形を求める方法にも係わる。
電圧測定のための電気光学システムは公知である。例
えば、ポッケルス・セルと呼ばれる装置は電界の存在に
おいて複屈折を呈する、即ち、２つの直交平面における
屈折率に差がある特殊の結晶を利用する。この種の結晶
のうちには、例えばKDP（燐酸二水素カリウム）のよう
に４重回転反転軸を有するものである。このような物質
は電界が存在しなければ４重軸に沿って伝播する光の屈
折率が偏光平面とは無関係という性質を有する。ところ
が、光の方向と平行に電界が印加されると、電界の強さ
に比例する量だけ、４重軸と交差する方向の、即ち、高
速軸方向の偏光の屈折率が増大し、同じく４重軸と交差
する直交方向の、即ち、低速軸方向の偏光の屈折率が縮
小する。ポッケルス・セル装置の場合、もし上記交差軸
に対して傾斜した平面内で偏光が起こると、屈折率が縮
小する低速軸方向の偏光成分が他の成分に対して遅延さ
せられる。電圧を測定すべき物体間の４重軸に結晶を整
列させ、偏光の方向を４重軸と平行にすると、総遅延量
は両物体間の総電圧差に比例する。この遅延は波長の遅
延量として測定されるのが普通である。遅延量はアナラ
イザーで検出され、電界を発生させる電圧の大きさを表
わす出力を形成するための電気信号に変換される。この
電気信号は周期性であるため、出力は結晶に固有の半波
電圧よりも小さい遅延を形成する電圧に関してのみ一義
的である。即ち、KDPの場合、この半波電圧は約11300ボ
ルトである。従って、このような装置は100,000ボルトr
ms以上にも達する送電線電圧の測定には適さない。
ポッケルス・セルに使用される結晶のうちには、セル
を通過する光の伝播方向と直交する方向の電界に応答す
るものもある。このようなセルはビームと電界の交差点
における電圧を指示するだけであるから、単一のセルで
は両物体間の全スペースに亘る電圧の総和を示すことは
できず、両物体間の電圧を正確に測定することは不可能
である。この種のポッケルス・セルを使用するシステム
の共通点として、（１）両物体間の１点における電圧を
測定し、他のすべての点における電圧をこの単一測定値
から求めることができると仮定するか、または（２）あ
る種の分圧器を設け、電界がセル定数以内に維持される
ようにセルに線電圧の一定部分を印加する。第１のアプ
ローチに伴なう問題は低インピーダンス・パスの場合を
除いて、パスに沿った電界がこのパスの近傍に位置する
導体または絶縁体に影響されることにある。従って、も
しこの種のポッケルス・セルを導体表面に取付けて電界
を測定すると、測定値は導体のサイズ及び形状、導体か
らアースまでの距離、近傍に位置する導体の場所及び電
位、センサーの近傍に位置する絶縁体または導体の場所
またはセンサーの下のアース、及びセンサーとアースの
間に存在する為、雨滴または雪の影響を受ける。従っ
て、このようなシステムでは極めて理想的な状況下にお
いてのみ正確な測定が可能である。第２のアプローチに
伴なう問題は正確かつ安定性の高い分圧器を設けること
にある。
被測定電圧からの隔離度が高いという点で光学的電圧
測定システムが望ましい。光ファイバー・ケーブルを利
用することによって、信号を供給される遠隔インジケー
ターが遭遇しなければならない電気的妨害を受けるおそ
れのない遠隔インジケーターを容易に提供することがで
きる。
本発明の目的は例えば送電系統に現われるような極め
て大きい電圧を分圧器を使用せずに正確に測定できる光
学系を提供し、この光学系がアースまでの全スペースに
亘る電界総和を前記アースと関連する導体間において求
めることができるようにすることにある。
この目的にかんがみ、本発明は、互いに距離を保つ２
つの物体間の電圧を測定する方法であって、 ２つの直交軸に電界に応答した複屈折を呈する電気光
学結晶を、２つの物体を結ぶ光軸と前記２つの直交軸が
交差するように配置し；第１及び第２の平行偏光を光軸
と平行にかつ該平行偏光の偏光平面が電気光学結晶の２
つの直交軸と特定の角度を形成するように該電気光学結
晶を通過させ；電気光学結晶から出る第１の平行偏光の
位相が第２の平行偏光の位相よりも1/4波長の奇数倍だ
け遅れるようにし；第１の平行偏光の位相を第２の平行
偏光の位相よりも遅らせたのち、両方の平行偏光が偏光
手段を通過するようにし；偏光手段を出る第１及び第２
の平行偏光をそれぞれ第１及び第２移相電気信号に変換
し；第１及び第２移相電気信号に基づいて２つの物体間
の電圧を表わす出力信号を発生させる段階から成ること
を特徴とする、互いに距離を保つ２つの物体間の電圧を
測定する方法を提供する。
本発明はまた、互いに間隔を保つ２つの物体間の電圧
を測定する装置であって、平行光を発する光源手段と；
平行光を偏光させて第１及び第２の平行偏光を形成する
第１偏光手段と；互いに間隔を保つ２つの物体を結ぶ４
重回転反転軸を有し、該４重回転反転軸と平行に第１及
び第２の平行偏光が通過する電気光学結晶と；電気光学
結晶を通過したのち第１の平行偏光の位相を第２の平行
偏光の位相よりも約1/4波長の奇数倍だけ遅らせる分数
波長板手段と；第１及び第２の平行偏光が電気光学結晶
を通過し第１及び第２の平行偏光のうち少なくとも一方
が分数波長板手段を通過した後通過する第２偏光手段
と；第２偏光手段を出た第１及び第２の平行偏光をそれ
ぞれ第１及び第２移相電気信号に変換する第１及び第２
検出器と；第１及び第２移相電気信号に基づいて互いに
間隔を保つ２つの物体間の電圧を表わす出力信号を形成
する出力信号発生手段から成ることを特徴とする、２つ
の物体間の電圧を測定する装置を提供する。
本発明の内容は添付の図面に沿って以下に述べる実施
例の説明から明らかになるであろう。
本発明は互いに間隔を保つ２つの物体を結ぶ４重回転
反転軸を有する結晶を利用して前記互いに間隔を保つ２
つの物体間の電圧を測定する方法及び装置に係わる。第
１偏光手段により結晶の高速及び低速軸に対して鋭角を
形成する偏光平面で偏光させた平行光が４重回転反転軸
と平行に結晶を通過し、結晶を通過した平行偏光の、電
界に起因する遅延が別設の偏光手段によって検出され
る。別設の偏光手段を出た光は光検出素子によって電気
信号に変換される。結晶の半波電圧よりも大きい電圧の
測定に伴なうあいまいさを無くするため、平行偏光の第
１部分を第２部分に対して遅延させる。この遅延量は平
行偏光の２つの部分から形成される２つの電気信号が直
角位相となるように1/4波長であることが好ましい。
平行光は２つの別々の光源によって形成することが好
ましく、これら２つの光源によって形成される平行ビー
ムは第１偏光手段によって偏光させられ、電気光学結晶
を通過することにより平行偏光の第１及び第２部分を形
成し、これが変換されて２つの電気信号となる。両ビー
ムの光源の強さは両信号のピーク対ピーク値が一定のか
つ等しい値に維持されるようにフィードバック回路によ
って調整される。
本発明はまた、電圧測定システムの光検出素子から出
力されるピーク振幅値が一定の２つの電気信号のような
２つの移相信号に基づき、元の波形、例えば電圧測定シ
ステムの結晶に印加される電界を発生させる電圧を表わ
す波形を求める方法及び装置に係わる。ある意味では、
前記元の波形は部分的には２つの電気信号のゼロ交差シ
ーケンスに従って選択されたこれら両信号のセグメント
から再構成され、別のレベルでは、両信号のうちどちら
が先行するかに応じてゼロ交差ごとに増分または減分す
る、不連続増分値を有する段階信号として構成される。
測定される波形の方向反転は例えば２つの信号のいずれ
か一方による連続する２つのゼロ交差に基づいて検出す
ることができる。
このような段階波形で充分な成果が得られる場合も少
なくないが、段階信号の精度は例えばピーク対ピーク値
で260,000ボルトまたは93,000ボルトrmsにも達する送電
線電圧測定に要求される0.1％には達しない。従って、
本発明は両信号のいずれか一方の瞬時値を利用して段階
波形のステップ間を補間する方法を含む。この補間には
振幅が小さい方の信号の値が常に選択されるから、小角
度近似法が有効な、即ち、角度のsinがこの角度とほぼ
等しい成分波形部分が利用されることになり、従って、
補間によって生ずる誤差は小さい。
ゼロ付近における信号のランダムの挙動に起因するゼ
ロ交差カウントの誤指示を解消するため、信号のゼロ軸
にデッド・バンドの中心位置を設定する。小さい方の信
号の値がこのデッド・バンドに入ると、信号がこのバン
ドを出るまでゼロ交差カウントの指示が停止される。入
った側とは反対の側から出ると、ゼロ交差が指示され
る。増分か減分かは元の波形の移動方向に応じて決定さ
れる。この方向は直角位相信号のどちらが先行している
かによって示される。もし振幅が小さい方の信号が入っ
た時と同じ側からデッド・バンドを出ると、測定波形が
方向を変えたことを意味し、ゼロ交差カウントは指示さ
れない。デッド・バンドを出るのに必要な信号振幅は入
るのに必要な振幅よりも大きいことが好ましい。このよ
うなデッド・バンドの幅のヒステリシスによって境界に
おける誤挙動が防止される。
このような移相信号からの波形再構成は振幅の大きい
正弦電圧波形を表わす波形を形成するため、本発明の電
気光学システムに利用するのに特に好適であるが、その
他の用途におけるその他のタイプの波形再構成にも応用
できる。
公知のように、互いに間隔を保つ２つの点ａ、ｂ間の
電圧は方程式 によって与えられる。ただし、Ｅ（χ）はχにおける電
界勾配であり、積分はパスとは無関係である。従って、
互いに間隔を保つ点ａ、ｂ間の電圧を正確に測定するに
はセンサーが物理的にａからｂまでをカバーし、その全
長に沿ったすべての点における電界と相互作用し、ある
パラメーターが加法的に変化することによって積分値の
評価を可能にするように、ある性質を変化させねばなら
ない。送電線電圧の測定に際しては、センサーの一端を
送電線に電気的に接続し、他端を接地しなければならな
い。即ち、センサーは通常の線電圧及び遭遇する可能性
があるサージに耐え得る長さのものでなければならな
い。
本発明は電気光学結晶を利用して点ａ、ｂ間の電界勾
配の積分値を測定し、ａ、ｂ間電圧の真正値を求める。
すでに述べたように、例えばKDP（燐酸二水素カリウ
ム）のように４重回転反転軸を有する結晶物質は電界が
存在しなければ４重軸に沿って伝播する光の屈折率が偏
光方向とは無関係となる性質を有する。ところが、光の
伝播方向と平行に電界が印加されると、４重軸と直交す
る所与の方向の偏光屈折率は電界に比例する量だけ増大
し、これと直交する方向の偏光屈折率は前記量だけ縮小
する。KDPの場合、光軸とも呼ばれる４重軸と平行な方
向をＺ方向と呼称し、電界との関係で最大の屈折率変化
が現われる偏光方向をそれぞれＸ′及びＹ′軸と呼称す
るのが普通である。
電気光学センサーの動作原理を第１図に基づいて以下
に説明する。公知のポッケルス・セル装置１において、
KDP結晶３は４重回転反転軸Ｚが測定すべき電界勾配FG
と平行になるように整列されている。偏光前の単一ビー
ムが第１直線偏光器７に入射する。結晶３及び第１偏光
器７は偏光器７を出る平行偏光5pが結晶３のＺ軸と平行
に伝播し、偏光平面が結晶のＸ′及びＹ′軸に対して45
゜となるように配置する。
入射偏光ビーム5pは強さが等しい２つの成分に分解さ
れ、一方の成分はＸ′軸と平行に偏光し、他方の成分は
Ｙ′軸と平行に偏光する。電界が存在しなければ、この
２つの成分は等速で伝播し、互いに同相関係で結晶３を
出る。結晶のＺ軸に沿って電界が印加されると、屈折率
が、従って、２つの成分の速度が等しくなくなり、結晶
を出る時に両成分間に位相ずれまたは遅延が現れる。結
晶に沿った小さい要素に現われる遅延はこの要素に作用
する電界にこの要素の長さを掛け合わせたものに比例
し、総遅延量は結晶に沿った要素のすべてに現われる遅
延の合計に等しいから、結晶を出る成分の遅延は∫Edl
に、従って、結晶の両端間電圧差に比例する。
遅延は通常波長で表される。即ち、遅延値が１なら、
結晶中の光路がビーム5pの一方の成分にとっては他方の
成分にとってよりも１波長だけ長いことを意味し、下記
方程式によって与えられる： ただし、r63は電気光学係数、nzはＺ軸に沿って伝播す
る光に対する屈折率、λは真空中での光の波長、Ｖは結
晶両端間の電圧差である。これらのパラメーターは公知
であり、遅延の計算は可能であるが、これらのパラメー
ターを合成して単一パラメーターとし、下記方程式によ
って半波電圧Vhを求める方が便利である。即ち： 従って： Vhはセンサーの校正の一部として決定されるのが普通で
ある。もし結晶から出るビーム5pの２つの成分が第１偏
光器と平行に配置された第２偏光器９を通過すると、偏
光器９から出るビームＩの強さと遅延との関係は下記方
程式を示すようなものとなる： Ｉ＝Iocos2（πτ） （５） ただしIoはゼロ遅延の、即ち、結晶両端間に電圧差が現
れない射出ビームの強さである。もし第２偏光器９を90
゜回転させると、Ｉはcos2関数の項にsin2関数を代入し
た方程式（５）によって与えられる。
上記ポッケルス・セル装置においては、結晶と第２偏
光器９の間に分数波長板を挿入することにより遅延をsi
n2またはcos2関数上の直線のポイントまでずらすのが普
通である。
sin及びcos関数の周期性にかんがみ、上記ポッケルス
・セル装置が一義的な結果を出せるのはVh以下の電圧に
対してだけである。KDPの場合、波長が800nmならVhは約
11,300ボルトであり、従って、線とアース間の電圧が約
100,000ボルトrms以上にも達することが多い送電線電圧
の測定にこのような装置を使用することはできない。
公知のポッケルス・セル装置に固有のあいまいさを解
消し、送電線電圧の測定を可能にするため、本発明はビ
ーム５と平行な第２ビーム13を利用する。この第２ビー
ム13は第１偏光器７によって偏光させられて第２偏光ビ
ーム13pとなり、Ｚ軸と平行に結晶３を通過する。この
第２偏光ビーム13pもＸ′軸と平行な成分と、Ｙ′軸と
平行な成分との２成分に分解することができる。結晶３
から出た第２ビームは第２偏光器９をも通過し偏光器９
を出た第２ビームの強さは、もし第２偏光器９が第１偏
光器７と平行に配置されているなら遅延と方程式５に示
すような関係を有し、もし第２偏光器９が第１偏光器７
と直交するように配置されているなら遅延とsin2関数の
ような関係を持つ。結晶３を出た第２ビーム13も第２偏
光器９を通過する前に分数波長板15によって遅延させら
れる。分数波長板11及び15は一方のビームを他方のビー
ムよりも遅らせるように選択する。本発明の好ましい実
施態様では、一方のビームを他方のビームよりも1/4波
長遅らせることにより、第２偏光器を出たビームが直角
位相となるようにする。この遅延は分数波長板11、15と
してそれぞれの軸17、19が互いに90゜を形成する1/8波
長波長板を利用することによって達成することができ
る。一方のビームを他方のビームより1/4波長だけ遅ら
せるため、その他の構成を利用することも可能である。
例えば、一方のビームが1/4波長波長板を通過し、他方
のビームが結晶から直接第２偏光器に入射するようにし
てもよい。一方のビームを他方のビームに対して正確に
1/4波長だけ遅らせれば簡単な計算で済むが、約1/4波長
±20％の範囲内という意味で遅延が約1/4波長であれ
ば、満足すべき成果が得られる。1/4波長遅延のほか
に、1/4波長の奇数倍、即ち、3/4、5/4波長なども利用
できる。
２枚の1/8波長波長板を第２図のように配置すると、
第２偏光器を出た２つのビームの強さは下記のように求
めることができる： I1＝Iocos2（πτ＋π/8） （６） 及び I2＝Iocos2（πτ−π/8） （７） これら２つの信号は直角位相関係にあり、定数を別とし
て、結晶に印加される電圧の一義的な測定を可能にす
る。
第２図は本発明の完全な電圧測定システムの簡略図で
ある。このシステム21は結晶３、第１及び第２偏光器
７、９、及び1/8波長波長板11、15から成るセンサー１
を含む。システム21はまた２つの平行ビーム５及び13を
発する第１及び第２光源23、25をも含む。光源23は発光
ダイオード（LED）27を含む。LED27からの光は光ファイ
バー・ケーブル29によって伝達され、コリメーター・レ
ンズ31を通過して第１平行ビーム５を形成する。同様に
第２光源25に含まれるLED33からの光は光ファイバー・
ケーブル35によって伝達され、コリメーター・レンズ37
を通過して第２平行ビーム13を形成する。第２偏光器を
通過した第１ビーム５はレンズ39によって集光され、光
ファイバー・ケーブル41を通って第１電子回路43に送ら
れ、同様に第２偏光器９を通過した第２ビームはレンズ
45によって集光され、光ファイバー・ケーブル47によっ
て第２電子回路43に送られる。
電子回路43はいずれも全く同じであり、光ファイバー
・ケーブル41、47によってそれぞれ搬送されるビームを
電流に変換する。電子回路43はいずれもピーク検出器53
への低インピーダンス入力を波形するトランスインピー
ダンス増幅器51を含む。ピーク検出器53はリーク抵抗器
59によって分路されるコンデンサー57に給電するダイオ
ード55を含む。ピーク検出器はまた、ピーク検出器が後
続の段階によってロードされるのを防止するバッファ増
幅器61をも含む。後続段階63は加算増幅器、積分器、及
びそれぞれのLED27または33のための駆動回路として作
用し、１対の抵抗器65、及び積分コンデンサー69によっ
て分路される演算増幅器67を含む。出力回路は１対の抵
抗器71及び（抵抗値が71の２倍に等しい）71′、及び出
力増幅器73を含む。抵抗器65及び71−71′によって形成
される加算回路に基準電圧−erが印加される。
電子回路43は以下に述べるように作用する：第２偏光
器９を通過し、光ファイバー・ケーブル41または47によ
って搬送される光はフォトダイオード49によって電流信
号に変換される。ピーク検出器53はこの電流のピーク値
を表わす信号を出力する。ピーク値信号は演算増幅器67
の反転入力と接続する抵抗器65を介して基準信号と比較
される。ダイオード55の作用下にピーク信号は確実に正
であり、また基準信号−erは負であるから、これら２つ
の信号が比較され、その誤差が演算増幅器67及びコンデ
ンサー69によって形成される積分器に印加される。この
積分誤差信号は第１及び第２ビーム光源のLED27、33を
駆動するのに利用される。従って、回路43は光検知素子
49を介して両ビームによって形成される電流信号のピー
ク値が一定のかつ基準電圧に、従って互いに等しい値に
維持されるように各ビームの強さを調整するフィードバ
ック回路である。加算増幅器73及び分圧抵抗器71は光検
出素子49から出力された単向電流から基準電圧を減算す
ることにより結晶３に印加される電界に応じたバイポー
ラ電圧出力信号e1、e2を形成する。アナログ信号e1及び
e2はA/Dコンバーター75によって周期的にサンプリング
され、ディジタル・コンピューター77に入力される。デ
ィジタル・コンピューター77は２つの信号e1及びe2から
電圧波形を再構成し、出力装置79に供給する。出力装置
79は例えばディジタル読み取り装置、及び／または測定
電圧波形の固定ログを形成する記録装置の形態を取るこ
とができる。
第３図の波形ａ、ｂ及びｃは測定すべき電圧波形VI、
電圧波形ａに応答して第２図のシステムが形成する直角
位相信号e1及びe2、及び第２図のシステムが形成する、
電圧波形ａを表す出力波形V0を同じ時間ベースで示した
ものである。
第４図は第３図の波形ｂを形成する直角位相e1及びe2
から第３図の波形ｃを構成する態様を示す。この構成方
法は本質的には２つの信号e1及びe2のゼロ交差数の両方
向カウントを維持することにある。第４図に示す例で
は、ゼロ交差カウントｎを図の上方に示してある。カウ
ントｎはe1及びe2で表される電圧波形の正値が大きくな
る（負値が小さくなる）に従って増分し、増分波形の増
幅の負値が大きくなる（正値が小さくなる）に従って減
分する。波形の移動方向はどちらの直角位相信号が先行
するかによって決定される。電圧波形の方向が反転する
と先行e1またはe2が入れ替わる結果となり、この方向反
転は同一信号e1またはe2による２つの連続するゼロ交差
によって検出することができる。
第４図にトレース81で示す電圧波形の段階状近似表現
はゼロ交差累積カウントｎから形成することができる。
図示の実施例では、出力段階波形は第４図にトレース81
の左側に目盛で示す累積カウントｎの２倍ごとに形成さ
れている。
電気光学センサーに印加される電界を発生させる元の
電圧波形のこの段階状近似表現81だけで所期の目的を達
成できる場合が多い。0.1％の精度を要求される送電線
電圧をモニターする場合のように、元の電圧波形を比較
的高い精度で再生しなければならない場合には累積ゼロ
交差カウントｎに基づいて形成される出力信号の段階値
間を補間しなければならない。出力波形のこの平滑化は
直角位相信号e1及びe2のいずれか１つの瞬時値を段階値
に対して加算または減算することによって達成される。
選択される信号は所与の瞬間において振幅が小さい方の
信号e1またはe2である。即ち、第４図のトレース83及び
85間の信号e1またはe2の振幅が選択される。従って、波
形e1及びe2の、小角度近似法が有効な、即ち、角度のsi
nがこの角度にほぼ等しくなる部分が利用される。第４
図から明らかなように、この方法を用いて、本質的には
元の電圧波形を再構成するために直角位相信号e1及びe2
のセグメントを継ぎ合わせることになる。
小さい信号の場合に起こり易い両方向累積ゼロ交差カ
ウントｎがランダムに指示されるのを回避するため、第
４図の線89、91で示すゼロ軸を中心に帯域を形成する。
信号e1及びe2がこのデッド・バンド内にある限り、ゼロ
交差はカウントされず、信号が再びデッド・バンドから
出ると、ゼロ交差ｎを指示すべきかどうかの判断がなさ
れる。直角位相信号が入った側と同じ側からデッド・バ
ンドから出ると、ターゲット信号が方向を変えたことを
意味し、ｎは指示されない。もし、直角位相信号が入っ
た側と反対の側からデッド・バンドから出ると、ゼロ交
差が起こったことを意味し、ｎが指示される。直角位相
信号がデッド・バンド以内にある限り、その振幅は段階
間の補間に利用される。直角位相信号がゼロ軸と交差す
ると、段階に対して加算または減算される増分の符号が
変わり、この変化を反映する。このように直角位相信号
がデッド・バンドを出るまでゼロ交差カウントｎの指示
が遅れるから、第４図に93で示すように段階信号に僅か
な時間ずれが生ずる。デッド・バンドの幅はいかなる時
にもe1及びe2の瞬時値が双方ともにデッド・バンド以内
とならないようにできるだけ広く設定すべきである。一
度に一方の信号だけがデッド・バンド内に入るようにデ
ッド・バンドの境界を89′−91′まで広げることが好ま
しい。これにより、デッド・バンドへの入出が必ず反対
側から行われるようにするヒステリンスがデッド・バン
ドに導入される。
第5a及び5b図はセンサーが感知する電圧波形を直角位
相信号e1及びe2に基づいて第４図に関連して述べた態様
で再構成するためディジタル・コンピューター77が利用
するプログラムのフローチャートである。すでに述べた
ように、アナログ直角位相信号e1及びe2をA/Dコンバー
ターに供給することによりディジタル・コンピューター
によって処理される波形瞬時値のディジタル・サンプル
を形成する。サンプリング速度は通常ゼロ交差において
見られる被測定電圧信号の最大スリュウイング・レート
において、e1またはe2の少なくとも１つのデータ・サン
プルがデッド・バンド以内に来るように充分高い速度で
なければならない。本発明システムの実施例では60ヘル
ツ電圧信号のサンプリング速度は400KHzであった。第5a
図のブロック101で示すように、プログラムはそれぞれ
の新しいデータ・サンプルにつき待機する。それぞれの
新しいデータ・サンプルが得られると103において直角
位相信号e1及びe2の現時瞬時値に等しくなるように２つ
の変数E1及びE2が設定される。E1及びE2現在値の符号が
同じかどうかを指示する他の変数Ｓを設定し、この指示
が別の変数SSとしてブロック105に記憶される。
先行E1は第４図において線89−91（入）及び89′−9
1′（出）によって画定されるデッド・バンド以内にあ
った場合に値１を取るフラッグQ1がブロック107におい
てチェックされる。先行のE1がデッド・バンド以内にあ
って、第１直角位相信号の現在値が（線89′−91′の広
い境界を利用する0.24ERに等しい）帯域内にあることが
ブロック109において判定されると、E1及びE2の符号が
同じかどうかを指示する変数Ｓが111において先行デー
タ・ポイントのＳ値であるSOに等しくなるように設定さ
れる。
E1がデッド・バンドから出た場合、フラッグQ1が113
において０に等しく設定され、ゼロ交差カウントｎを指
示すべきかどうか、指示するならどちらの方向かを判定
することが必要となる。これは115において他の変数Ａ
を設定して現時点のE1の符号がデッド・バンドに入る前
のE1の最も新しい値であるE100の符号に等しいかどうか
を指示することによって達成される。この判定を行うた
め、もしE1が正の値を取るならE1の符号を＋１とし、負
の値を取るなら−１とし、Ａが値−２、＋２または０と
取ることができるようにする。E1及びE100の符号が同じ
であることがブロック117において判定されると、E1が
入った時と同じ側からデッド・バンドから出たことを意
味し、従って、ゼロ交差が起こらなかったことになる。
E1及びE100の符号が同じでなければ、E1が入った時とは
反対の側からデッド・バンドから手たことを意味し、従
って、ゼロ交差が起こったのであり、ｎを指示しなけれ
ばならない。Ａの符号がE2の符号と同じであることがブ
ロック119において判定されると、電圧が上向きである
ことを意味し、121における変数Ｄが１に設定される。
もしＡ及びE2の符号が等しくなければ、電圧は下向きで
あり、123においてＤが−１に設定される。次いでブロ
ック125において累積ゼロ交差カウントｎが正しい方向
に指示される。E1の先行瞬時値がデッド・バンド外であ
ったことがブロック107において判定された場合、（第
４図の線89−91によって画定される狭い境界を利用し
て）E1の現在値がデッド・バンド以内であるかどうかが
127においてチェックされる。E1がデッド・バンド以内
なら、フラッグＱが１に設定され、デッド・バンドに入
る前のE1の最も新しい値に等しい変数E100がE1の先行値
E10に等しく設定され、すでに述べたようにE1及びE2の
符号が同じかどうかを指示するＳが最終ポイントＳ値で
あるSOに等しく設定されることはブロック129に示す通
りである。E1がデッド・バンド外のままなら、E2の先行
値がデッド・バンド外であったかどうかがブロック131
において判定される。もしE2先行値がデッド・バンド外
であったことがブロック131において判定され、（第４
図の入側境界線89−91を使用して）E2現在値がデッド・
バンド内であることをブロック133が判定すると、ブロ
ック135において、フラッグQ2が１に設定され、デッド
・バンドに入る前のE2の最も新しい値が記憶され、Ｓが
SOに等しく設定される。E2がデッド・バンド内でなかっ
たことがブロック133において判定された場合、E1もE2
もデッド・バンド外のままであり、プログラムは後述す
るように電圧信号現在値の計算に進む。
先のデータ・ポイントにおいてE2がデッド・バンド内
であったことが131において判定されると、現時点でも
デッド・バンド内のままかどうかがブロック137におい
て判定される。もしデッド・バンド内のままなら、139
においてＳがSOに等しく設定される。E2がデッド・バン
ドから出ると、141においてフラッグQ2が０に設定され
る。ここでブロック115及び117に関連して説明したのと
同様の態様に変数Ａを利用してブロック143及び145にお
いてゼロ交差カウントｎを指示すべきかどうか判定され
る。E2が入った時とは反対の側からデッド・バンドを出
た場合、E1がデッド・バンドから出る場合に関して述べ
たのと同じ方法を利用して147、149、151及び153におい
て、ｎが増分または減分される。即ち、波形e1がe2より
先行すればｎが減分されるから電圧測定値が増大し、逆
ならｎが増分されるから電圧測定値が低下する。
次に第5b図のブロック155において、記憶符号であるS
SがＳに等しいかどうかを判定することによってゼロ交
差が起こったかどうかが判定される。なお、現時点にお
いてE1またはE2がデッド・バンド内にあれば前記Ｓは先
行データ・ポイントのＳに等しく設定されたＳである。
ゼロ交差が起こったことが判定されると、157において
変数Ｐが−１に設定され、さもなければ159においてＰ
が＋１に設定される。
E1とE2が同符号でないことがブロック161において判
定され、E2の振幅がE1に振幅よりも小さいことがブロッ
ク163において判定されると、ブロック165の方程式に累
積ゼロ交差カウントｎ及び現時振幅E2を利用して電圧EC
が計算される。ただし、E1とE2が同符号でなく、しかも
E1がE2よりも小さければ、E1とｎとを併用し、ブロック
167の式を利用することによってECを計算する。E1とE2
が同符号であることが161において判定され、E1の方が
小さいことが169において判定されると、ブロック171に
おいてE1とｎを併用してECの値が計算される。符号が異
なる２つの信号のうちE2の方が小さければ、ブロック17
3においてE2とｎからECが計算される。なお、ブロック1
65乃至171に示したECの方程式における第１項は累積ゼ
ロ交差カウントｎから段階値を求め、第２項は選択され
た直角位相信号位の振幅に基づく補間を可能にする。
次いでブロック175において電圧計算値ECに倍率が乗
算されて測定電圧の瞬時振幅Ｅが求められる。
電子回路に使用される基準電圧erを2.828ボルトに設
定すれば、量0.3535×er＝１、２×0.3535/er＝1/4とな
り、ブロック165、167、171、173及び175における計算
が簡単になるから便利である。
この方法によれば定数誤差を除いて測定電圧が一義的
に求められる。定数誤差はプログラム開始時におけるｎ
初期値の不確さに起因する。ｎは整数であるがその他の
点では任意である。電圧が０の時にｎを０に設定できれ
ば以後の電圧測定は正しく行なわれる。しかしこれは一
般に不可能なことであり、１サイクルに亘る電圧計算値
の平均が０となるまで整数段階に亘ってｎを調整しなけ
ればならない。ｎを正しく調整すれば、プログラムが割
り込まれるまでは電圧計算値は正しい。
次のＥ計算に備えてブロック177においてＳ、E1及びE
2の現在値が最新値として記憶されることでプログラム
が完結する。次いでプログラムはスタートに戻り、次の
データ入力を待機する。
第６乃至８図は取付け態様を明らかにするため切欠い
て示す絶縁カラム201内に取付けたセンサー１の実施例
を示す。上部支持チューブ203を（図示しない）送電線
に接続し、下部支持チューブ205を接地する。両チュー
ブともに導電性であり、NESAガラスのような導電性透明
材で構成された取付けディスク207を介してセンサー１
を挾持すると共に送電線及びアースとそれぞれ接続す
る。結晶209及び偏光器211、213は電気的応力を軽減す
るため、第１及び２図のように方形ではなく円形断面を
呈するように形成している。
第２偏光器213については、第７図から明らかなよう
に、２つの円筒状コリメーター215を円筒状偏光器の一
方の扁平端面に取付け、方形の1/8ウェーブ・プレート2
17、219を反対側端面に取付ける。第２扁光器213からの
ビームを光ファイバー・ケーブル221に集光するコリメ
ーター215を第８図に断面で示した。それぞれのコリメ
ーター215は例えば融解シリカのような２片の低屈折率
ガラス223、225と、例えばSF59のような１片の高屈折率
ガラス227から成り、227の湾曲面、227の厚さ及び225の
長さは223に入射する平行光束が光ファイバー221の端部
に集光され、光束のエッジからの光線がファイバーに衝
突するように設定する。具体的には、これらのパラメー
タはレンズ焦点距離で光束の半径を割った値がファイバ
ーの開口数を低屈折率ガラスの屈折率で割った値に等し
いかまたはこれよりも大きくなるように設定する。セン
サーの他方の側のコリメーターも同様に構成されるが、
その作用方向は逆であり、光ファイバー・ケーブルから
の光を第１偏光器211へ入射する平行光束に変換する。
使用中、特にパルス・テストの際に高い電気応力に耐え
得るように絶縁カラム201にオイルまたは加圧六弗化硫
黄（SF6）を充填して光学系中にガラス／空気界面が存
在し得ないようにするから、必然的にコリメーターを図
示のように形成しなければならない。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一部を形成する電圧測定システムの動
作原理を示す概略図である。 第２図は本発明の電圧測定システムの概略図である。 第3a、ｂ、ｃ図は測定すべき線とアースとの間の電圧、
第２図の電気光学測定システムから発生する移相信号の
波形、及び移相波形から再構成された出力波形をそれぞ
れ示す波形図である。 第４図は移相波形から出力波形を再構成する態様を示す
説明図である。 第5A、Ｂ図は第４図に示す態様で移相波形から出力波形
を構成するため第２図のシステムが使用するプログラム
を示すフローチャートである。 第６図は高圧送電系における線とアースとの間の電圧を
測定するための本発明装置を一部切欠いて示す斜視図で
ある。 第７図は第６図の一部を示す拡大図である。 第８図は第７図に示した部分のさらに一部を示す垂直断
面図である。 １……ポッケルス・セル装置 ３……KDP結晶 ７……第１偏光器 ９……第２偏光器 11、15……分数波長板 21……電圧測定システム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 15/24

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】互いに距離を保つの２つ物体間の電圧を測
    定する方法であって、 ２つの直交軸に電界に応答した複屈折を呈する電気光学
    結晶を、２つの物体を結ぶ光軸と前記２つの直交軸が交
    差するように配置し； 第１及び第２の平行偏光を光軸と平行にかつ該平行偏光
    の偏光平面が電気光学結晶の２つの直交軸と特定の角度
    を形成するように該電気光学結晶を通過させ； 電気光学結晶から出る第１の平行偏光の位相が第２の平
    行偏光の位相よりも1/4波長の奇数倍だけ遅れるように
    し； 第１の平行偏光の位相を第２の平行偏光の位相よりも遅
    らせたのち、両方の平行偏光が偏光手段を通過するよう
    にし； 偏光手段を出る第１及び第２の平行偏光をそれぞれ第１
    及び第２移相電気信号に変換し； 第１及び第２移相電気信号に基づいて２つの物体間の電
    圧を表わす出力信号を発生させる段階から成ることを特
    徴とする、互いに距離を保つ２つの物体間の電圧を測定
    する方法。
  2. 【請求項２】第１の平行偏光の位相が第２の平行偏光の
    位相よりも遅れるようにする段階として、第１の平行偏
    光を第２の平行偏光よりも1/4波長遅らせることを特徴
    とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】平行偏光を発生させる段階として、電気光
    学結晶を通過し、第１及び第２の平行偏光を形成する第
    １及び第２平行偏光ビームを発生させ、第１及び第２移
    相電気信号のピーク振幅が一定かつ互いに等しい値に維
    持されるように第１及び第２平行偏光ビームの強さを調
    整する段階をも含むことを特徴とする請求項１または２
    に記載の方法。
  4. 【請求項４】第１及び第２移相電気信号に基づいて出力
    信号を発生させる段階として、 第１及び第２移相電気信号のゼロ交差が起こったことを
    モニターすると共に、第１及び第２移相電気信号のいず
    れか一方が連続して２回ゼロ交差するとカウント方向を
    変える２方向累積ゼロ交差カウントを記憶し； 第１及び第２移相電気信号のいずれか一方が連続して２
    回ゼロ交差するとそれに応答して２方向累積ゼロ交差カ
    ウントの方向を変え； ２方向累積ゼロ交差カウントに基づいて互いに間隔を保
    つ２つの物体間の電圧を表わす段階出力信号を発生させ
    る段階から成ることを特徴とする請求項３に記載の方
    法。
  5. 【請求項５】２方向累積ゼロ交差カウントに基づいて形
    成される段階出力信号の振幅をこの瞬間において振幅が
    小さい方の移相電気信号の瞬時振幅だけ調整することを
    特徴とする請求項４に記載の方法。
  6. 【請求項６】２方向累積ゼロ交差カウントに基づいて形
    成される段階出力信号の振幅を振幅が小さい方の移相電
    気信号の振幅だけ調整する前記段階が２つの移相電気信
    号の極性の相対的関係に基づいて決定される方向に前記
    調整を行なう段階を含むことを特徴とする請求項５に記
    載の方法。
  7. 【請求項７】第１及び第２移相電気信号のいずれか一方
    の瞬時振幅が所定値以下の振幅を表わす帯域の範囲内な
    ら２方向累積ゼロ交差カウントを凍結し； 前記第１及び第２移相電気信号のいずれか一方が前記帯
    域を出るとこれに応答して２方向累積ゼロ交差カウント
    の凍結を解き、これに応答して、ただし、帯域から出る
    信号がこの帯域に入った時の極性とは反対の極性で帯域
    を出る場合に限って２方向累積ゼロ交差カウントの再開
    を指示する段階をも含むことを特徴とする請求項４また
    は６に記載の方法。
  8. 【請求項８】互いに間隔を保つ２つの物体間の電圧を測
    定する装置であって、 平行光を発する光源手段と； 平行光を偏光させて第１及び第２の平行偏光を形成する
    第１偏光手段と； 互いに間隔を保つ２つの物体を結ぶ４重回転反転軸を有
    し、該４重回転反転軸と平行に第１及び第２の平行偏光
    が通過する電気光学結晶と； 電気光学結晶を通過したのち第１の平行偏光の位相を第
    ２の平行偏光の位相よりも約1/4波長の奇数倍だけ遅ら
    せる分数波長板手段と； 第１及び第２の平行偏光が電気光学結晶を通過し第１及
    び第２の平行偏光のうち少なくとも一方が分数波長板手
    段を通過した後通過する第２偏光手段と； 第２偏光手段を出た第１及び第２の平行偏光をそれぞれ
    第１及び第２移相電気信号に変換する第１及び第２検出
    器と； 第１及び第２移相電気信号に基づいて互いに間隔を保つ
    ２つの物体間の電圧を表わす出力信号を形成する出力信
    号発生手段から成ることを特徴とする、２つの物体間の
    電圧を測定する装置。
  9. 【請求項９】光源手段が第１偏光手段及び電気光学結晶
    を通過して第１及び第２の平行偏光を形成する第１及び
    第２ビームを発生する第１及び第２平行光源を含み、さ
    らに、第１及び第２移相電気信号のピーク振幅がほぼ一
    定かつ互いに等しい値に維持されるように第１及び第２
    平行光源を調整する調整手段をも含むことを特徴とする
    請求項８に記載の装置。
  10. 【請求項１０】調整手段が基準電圧を供給する基準電圧
    源と、第１及び第２平行光源と第１及び第２検出器とそ
    れぞれ接続関係にある第１及び第２調整回路から成り、
    第１及び第２調整回路がそれぞれ第１及び第２検出器か
    ら出力される第１及び第２移相電気信号のピーク振幅を
    表わす第１及び第２ピーク電圧信号を出力する第１及び
    第２ピーク電圧検出器と、それぞれ第１及び第２ピーク
    電圧信号及び基準電圧に応答して第１及び第２平行光源
    からのビームの強さを調整することによって第１及び第
    ２ピーク電圧信号を基準電圧に等しい値に維持する第１
    及び第２フィードバック回路から成ることを特徴とする
    請求項９に記載の装置。
  11. 【請求項１１】出力信号発生手段が第１及び第２移相電
    気信号のゼロ交差が起こったことを検出し、第１及び第
    ２移相電気信号のいずれか一方が連続して２回ゼロ交差
    するとカウント方向を変える２方向累積ゼロ交差カウン
    トを出力する手段と、２方向累積カウントを利用して出
    力信号を形成する手段から成ることを特徴とする請求項
    ８または９に記載の装置。
  12. 【請求項１２】第１及び第２移相電気信号のいずれか一
    方の瞬時振幅が所定値以下の振幅を表わす帯域内ならば
    ゼロ交差の２方向累積カウントを凍結する手段と、前記
    第１及び第２移相電気信号のいずれか一方が前記帯域を
    出るとこれに応答して２方向累積ゼロ交差カウントの凍
    結を解き、これに応答して、ただし、帯域から出る信号
    がこの帯域に入った時の極性とは反対の極性で帯域を出
    る場合に限って２方向累積ゼロ交差カウントの再開を指
    示する手段を含むことを特徴とする請求項11に記載の装
    置。
  13. 【請求項１３】２方向累積カウントを利用して出力信号
    を形成する前記手段が２方向累積カウントから形成され
    た出力信号の振幅を第１及び第２移相電気信号の小さい
    方の瞬時振幅だけ調節する手段を含むことを特徴とする
    請求項11に記載の装置。
  14. 【請求項１４】出力信号の振幅を第１及び第２移相電気
    信号のうち小さい方の瞬時振幅だけ調節する前記手段が
    第１及び第２移相電気信号の極性の相対的関係に応じて
    決定される方向に小さい方の瞬時振幅だけ出力信号の振
    幅を調節する手段を含むことを特徴とする請求項13に記
    載の装置。
  15. 【請求項１５】分数波長板手段が第１及び第２ビームが
    それぞれ通過する第１及び第２の1/8波長板から成り、
    第１及び第２の1/8波長板が互いに90度の角度を形成す
    る方向の軸を有することを特徴とする請求項８または14
    に記載の装置。
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